JP6382330B2 - 蒸気タービンとガスタービンを所望の差分角度で結合する方法 - Google Patents

Description

本発明は、具体的には蒸気タービンである回転機器と具体的にはガスタービンであるシャフト機器を結合する方法に関するものである。

結合されたガス発電設備と蒸気発電設備では、ガスタービンが、ガスを燃焼することによって最初に駆動される。蒸気タービン用の蒸気は、ガスタービンの排気熱を利用して生成される。したがって、ガス発電設備および蒸気発電設備が動作を開始するとき、最初にガスタービンが作動される。蒸気タービンが起動され得るのは、十分な蒸気が供給されたときのみである。単一シャフト取付けの場合には、ガスタービンと発電機が、シャフトに沿って固定して接続されている。同じ軸に沿って蒸気タービンが配置されて、継手を手段として接続され得る。したがって、蒸気タービンとガスタービンを結合する必要がある。

実際には、結合する角度は無作為に出現する。特許文献1から、目標を定めたやり方(targeted manner)で結合角度を選択することが知られる。このやり方を使用すると、振動負荷が最小限になるように結合角度を選択することができる。概略を言えば、このやり方で、2つのタービンの不平衡をある程度まで補償することができる。これは、特に、2つのタービンが不平衡を付加するように結合されるのと比較して、振動負荷を低減することができる。この利点にもかかわらず、この方法は採用されない。

欧州特許出願公開第1 911 939号明細書

本発明は、所望の結合角度で結合する改善された方法を提供することを目的とするものである。同様に、対応する機構を開発することを意図するものである。

以下に提示される本発明は、基本的に、全く別のシャフト機器と全く別の回転機器を結合するのに適しているが、視覚的な図解のために、回転機器の一例として選択されるのは常に蒸気タービンであり、シャフト機器の一例として選択されるのは常にガスタービンである。現在の観点から、これは本発明の最も重要な用途である。しかしながら、さらなる用途が明確に考えられる。

識別されるのは、以下のステップによる蒸気タービンとガスタービンを結合する方法が特定されるということである。最初に、蒸気タービンが、ガスタービンの回転速度未満の初期の回転速度まで加速されるべきである。この目的を達成するために通常の手順が使用され得て、十分な量の蒸気があるとき、蒸気タービンが始動され得る。ここの目的は、ガスタービンと蒸気タービンの間の差分角度を検知することである。初期の回転速度に達すると、蒸気タービンの加速は、回転速度差および差分角度に依拠して選択された加速度値を用いて継続される。蒸気タービンとガスタービンの間の回転速度差がゼロになり次第、蒸気タービンが結合され、蒸気タービンが同時に加速され続ける。すなわち、結合手順の開始において、蒸気タービンの回転速度はガスタービンの回転速度と等しい。蒸気タービンの回転速度がガスタービンの回転速度を一時的に超えるように、蒸気タービンはガスタービンに対して加速される。

所定の目標角度と、蒸気タービンの初期の回転速度までの加速度とに依拠して、実際に選択される蒸気タービンの回転速度設定値は、角度差および回転速度差に依拠して設定される。ここで、初期の回転速度における差分角度と、蒸気タービンが初期の回転速度からガスタービンに対する回転速度設定値まで加速される加速度値と、この場合は目標結合角度である出現する結合角度との間には固有の関係があるという発見が採用される。ガスタービンの回転速度設定値と回転速度の間の差は、回転速度設定値の差と示される。蒸気タービンの回転速度設定値は時間とともに変化し、回転速度差および角度差に依拠して形成される。結合中、蒸気タービンの回転速度は、ガスタービンの回転速度をわずかに超えて上昇する。もちろん、結合が完了した後には、ガスタービンと蒸気タービンの回転速度は等しい。

本発明によれば、回転速度の意図された値を用いて回転機器の回転速度が変化され、意図された回転速度差は差分角度に依拠し、回転速度の意図された値は、意図された回転速度差と差分角度との間の依存関係から確立され、回転速度の意図された値を確立するとき、確立された回転速度差がさらに考慮に入れられる。

シャフト機器と回転機器は差分角度だけ互いに対してねじれ、結合後にΔφ=Δφ_optの理想的な差分角度Δφが得られる。Δφ_optにおいて、シャフト機器と回転機器は、振動などの回転子の動的特性が最適化されるように互いに対して配置される。

初期の差分角度と略記される初期の回転速度における差分角度は、無作為に出現し、差分角度測定によって求められる。計算上、始動差分角度は、いわゆる公称の始動差分角度のあたりで、この場合360°を含む範囲から選択される。公称の始動差分角度は、蒸気タービンの加速度が不変のまま維持される場合に、目標角度を考慮に入れて、結合するまで、ガスタービンが蒸気タービンに対して進むことになる角度である。これは、始動差分回転速度が-1Hzであり、以前の蒸気タービンの加速度は0.05Hz/sであって、目標値が0°であれば、公称の始動差分角度は3600°である、といった例を使用して説明されるように意図されている。

この方法の目標は、結合後に、回転機器とシャフト機器が互いに対して理想的に整列する理想的な差分角度を得ることである。

目標結合角度は、通常、結合されたガスタービンと蒸気タービンの振動負荷の最小化が達成されるように選択される。好ましくは目標とされる目標結合角度は、この場合、振動負荷の測定と、計算ベースの観察とによって確立される。一般に、両方の組合せが使用されることになる。

シャフト機器の回転速度の変化は、回転機器を加速することによってもたらされる。

初期の回転速度差を選択するとき、また加速度値を選択するとき、制限されているとはいえ自由度がある。加速度値を選択するときには、十分な蒸気が利用可能であること、および不安定性などが生じないことを考慮に入れる必要がある。

初期の回転速度差が約0.5Hz〜約1Hzである場合、蒸気タービンの回転速度はガスタービンの回転速度未満であると都合がよいことが判明している。

特許文献１で適用された方法に対する本方法の実質的な利点は、回転速度の保持において、加速過程を中断する必要がないことである。その結果、迅速に結合するのと同時に所望の目標結合角度を得ることができる。

初期の回転速度から、蒸気タービンの速度がガスタービンの速度に到達するまでの蒸気タービンの加速中は、ガスタービンが、目標角度に対して、数回転(several full revolutions)だけ蒸気タービンより進んでいることにも注目されたい。差分角度の変化に対して、ガスタービンが進んでいる最大回転数は明らかに無関係である。所与の初期の回転速度差の場合、所与の加速度値またはその異なる加速度値が問題になるときには、異なる初期の回転速度差が所望の目標結合角度に到達し得るように、ガスタービンの進み回転数を変化させると、さらなる自由度がもたらされる。

一実施形態では、所望の加速度値が回転速度設定値の差から設定されるとき、所望の初期の回転速度差は、初期の回転速度に対して生じるガスタービンの加速度値が選択されるように、回転速度差の範囲から選択される。これによって、目標値を得るために変化させなければならない加速度値を可能な限り小さくするか、または理想的な場合にはゼロにすることができる。

一実施形態では、初期の回転速度は、ガスタービンの回転速度を約1Hz(約0.5Hz〜約1.5Hzまたは約0.5Hz〜約1.1Hz)下回るように準備される。これらの値は適切であることが判明している。

さらなる実施形態では、加速度値が、約0.025Hz/s〜約0.075Hz/s、好ましくは約0.05Hz/sになるように準備される。

通常は、差分角度が、結合中の結合ねじり角度によって変化することに注目されたい。一般に、これは、蒸気タービンが、当初は回転速度設定値すなわちガスタービンの回転速度をわずかに上回る回転速度に加速されていることによるものである。この上回る手順に続く継手スリーブへの変化(turning into)のために、結合ねじり角度によってバッキングが生じることがある。

最終的に、結合ねじり角度を考慮に入れることにより、振動負荷がさらに最適化され得る。

本発明は、ガスタービンと蒸気タービンを結合するための継手を伴う、ガスタービンおよび蒸気タービンを備えた対応する機構にも関するものである。この機構は、ガスタービンと蒸気タービンの間の差分角度を検知するための機器を有する。その上、蒸気タービンを加速度値だけ加速するための機器が存在する。その上、ガスタービンと蒸気タービンの間の所望の目標結合角度を、蒸気タービンが加速される加速度値を求めることによって検知された差分角度と、ガスタービンと蒸気タービンの間の回転速度設定値の差(結合手順はそれから始まる)との関数として得ることを可能にする手段が配置されている。

この機構は前述の方法を実行するのに適切である。この機構の実施形態によって、前述の方法の様々な実施形態が実現され得る。

ここで示されるべきは、せいぜい、蒸気タービンを駆動するための蒸気を供給する廃熱蒸気発生器を備える既知のガスタービン装置の軽微な構造改修しか必要とされない、ということである。したがって、蒸気タービンを加速するための手段は常に存在する。具体的には、これは、とりわけ、蒸気タービンヘ蒸気を導くように意図された弁と、弁の関連する操作とに関するものである。タービンの位相角を求めるのも普通のことである。したがって、対応する測定デバイスは普通に存在する。しかしながら、既知の装置では、位相角の検知が十分に迅速ではないことが多い。したがって、相対角度を十分迅速に検知して、検知された値をコントローラに供給するための改善が必要であろう。この目的を達成するために、通常は約4ミリ秒〜約20ミリ秒のクロッキングが好都合である。一般に、このほかに従来技術に対して変更されることになるのは制御デバイスにすぎない。

以下で、図を基に、本発明をより詳細に説明する。

1Hzの初期回転速度差およびゼロの初期角度差から進行する異なる相対加速度の場合の様々な結合角度の間の関係を示すグラフである。 回転速度設定値の差を、1Hzの初期の回転速度差と-3600°の初期の角度差とから進行する差分角度の関数として示すグラフである。 ガスタービンおよび蒸気タービンの回転速度のプロファイルを例示的に示すグラフである。 結合中の差分角度と結合ねじり角度とのプロファイルを示すグラフである。 シャフト運転を示す図である。 所望の差分角度で結合する原理を示す図である。

図1は、蒸気タービンの加速中の差分角度を、様々な一定の加速度値に関するそれぞれの回転速度差の関数として示すものである。ガスタービンと蒸気タービンの間の回転速度差が、X軸に沿ってHzの単位でプロットされている。差分角度はY軸に沿って「度」の単位でプロットされており、360°の整数倍も加算される。

最上の破線は、0.025Hz/sの加速度値の場合の関係を示し、中央の一点鎖線(dotted curve)は0.05Hz/sの加速度値の場合の関係を示し、下の実線は0.075Hz/sの加速度値の場合の関係を示す。これは、中央のグラフに基づいてより詳細に説明されることを意図するものである。

グラフの左下のポイントが始点と見なされる。ガスタービンと蒸気タービンの間の角度差はゼロであり、回転速度差は-1Hzである。すなわち、ガスタービンは蒸気タービンよりも1Hz多く回転する。このポイントにおいて、すなわち蒸気タービンのこの初期の回転速度差において、結合角度を目標とする手法が開始するように意図されている。

蒸気タービンは、両方のタービンが同じ回転速度になるまで、ガスタービンに対して0.05Hz/sの不変の加速度で加速される。ガスタービンは、蒸気タービンと同じ速度になる時点まで、蒸気タービンよりも速く回転して3600°だけ通り過ぎ、すなわち、その時点において、前記ガスタービンは蒸気タービンよりも10回多く回転している。ここには時間軸が表現されていない、という事実が言及される。グラフから識別することができるのは、速度が近づくにつれて、すなわち回転速度差がより小さくなるにつれて、ガスタービンと蒸気タービンの間の差分角度の変化が低減するということである。別々のグラフからさらに理解することができるのは、加速度が小さいほど、結合を開始するまでの通り過ぎる角度がより大きいということである。この効果は、選択された目標結合角度を始動するために基本的に使用される。異なる加速度値および異なる開始差分角度には定量的に異なる関係が当てはまるが、その検討は他の点では類似している。例として、開始の差分角度が-3600°で相対加速度が0.05Hzの場合、結合を開始するための目標結合角度は0°である。

図2は図1のX軸とY軸を入れ換えたもの(inverse illustration)であり、0.05Hz/sの加速度値のグラフだけがここで表されている。ここで、図1と比較すると、名目上0°の目標結合角度を達成するために、開始差分角度は-3600°に設定されている。X軸には差分角度が「度」の単位でプロットされており、360°の整数倍も加算される。Y軸には、ガスタービンと蒸気タービンの間の回転速度差がHzの単位でプロットされている。

したがって、図2は、一定の相対加速度0.05Hz/sの場合の、回転速度差が差分角度に依拠する様子が強調されている。ここで、ガスタービンと蒸気タービンの間の対応する周波数の場合には、0°の差分角度が想定される。図2は、選択された加速度0.05Hz/sに関する中央の設定値のグラフを表す。したがって、たとえば角度差が900°の場合には、ガスタービンと蒸気タービンの間の速度差は-0.5Hzであるべきである。すなわち、角度差が900°の場合には、蒸気タービンはガスタービンよりも0.5Hzだけ遅い。理想的な場合には、図2は、通り過ぎる角度と、蒸気タービンとガスタービンの間の回転速度差との間の関係を説明する。

測定された差分角度が-900°の場合の速度差が、実際の装置においてより大きければ、目標角度は0°よりもむしろ大きく、0.05Hz/sの不変の加速度になったときに達するものである。この場合、蒸気タービンは遅すぎるので、より強く加速しなければならない。

反対に、測定された差分角度が-900°の場合の速度差が、実際の装置においてより小さければ、目標角度は0°よりもむしろ小さく、0.05Hz/sの不変の加速度なったときに達するものである。この場合、蒸気タービンは速すぎるので、減速しなければならない。

結合手順自体が図3に表されている。時間は秒の単位でX軸に沿ってプロットされており、回転速度はY軸に沿ってプロットされている。蒸気タービンは、当初はガスタービンよりも遅いが、ガスタービンに対して加速される。ガスタービンの回転速度は、点線で表されるように50Hzと一定である。蒸気タービンの速度は実線でプロットされている。結合手順は、蒸気タービンがガスタービンと同じ速度になったとき開始する。このようにして結合が開始される。当初は、蒸気タービンがさらに加速され、蒸気タービンは、その手順においてガスタービンを追い越し、結合の停止に及ぶ。この位置では減速される。その後、2つのタービン軸は同じ回転速度で回転する。

差分角度に対する結合の影響は図4から明らかになる。ここでもX軸には時間が単位でプロットされており、Y軸は、回動角度差が「度」の単位でプロットされている。破線は角度差の設定値を示し、この場合0°である。当初は下に延びる実線は、実際の角度差の時間プロファイルを強調する。当初は、蒸気タービンの回動角度はガスタービンの回動角度よりも25°小さい。この回動角度差は、最初にゼロ度まで急速に低下する。次いで、回動角度差は、この場合はほぼ20°だけ再び増加する。これは、継手スリーブへ変わるとき、結合ねじり角度による蒸気タービンのバッキングがあるという事実によるものである。結合ねじり角度のプロファイルは点線によって識別され得る。

したがって、所望の目標結合角度を選択するとき考慮に入れるべきは、結合中の結合ねじり角度によって回動角度差が変化するということである。

図5はシャフトの運転1の略図を示す。ここには表されてないが、蒸気タービンのシャフト3を形成する回転機器2が備わっている。シャフト3は、継手4を手段として発電機のシャフト5に結合することができる。発電機のシャフト5は発電機6によって駆動される。発電機のシャフト5は、さらなる継手7を手段としてシャフト機器8に接続されており、シャフト機器8が形成するガスタービンのシャフト9は、これ以上詳細には表されない。

シャフト3の回転速度および回動角度はキーフェーザ10によって確立される。シャフト9の回転速度および回動角度は、さらなるキーフェーザ11を手段として確立される。キーフェーザ10およびキーフェーザ11からの信号が、ユニット12へ転送される。差分角度Δφおよび回転速度差Δηは、ユニット12からタービンレギュレータ13へ転送される。

蒸気タービンは、通常通り、所定の一定勾配の上昇を手段として所定の速度差まで加速される。1Hzの速度差すなわち初期の回転速度の場合には、目標角度に調整された継手への切換えがある。この目的を達成するために、蒸気タービンの以前の加速度が維持されているとき、現在の角度差が0°〜360°の範囲で検知され、ガスタービンが結合の開始までに通り過ぎるはずの角度範囲だけ低減される。このことを、ガスタービンと蒸気タービンの間の回転速度差が1Hzであり、蒸気タービンが0.05Hz/sだけ加速される、という例を使用して明確にする。ガスタービンと蒸気タービンが同じ速度になるまでに20秒が経過する。この手順において、通過される差分角度は3600°である。

図6は、目標結合角度の実際の閉ループ制御を説明するものである。蒸気タービンのねじり角度とガスタービンのねじり角度の間の差すなわち差分角度は、特性によって、蒸気タービンとガスタービンの間の回転速度差の設定値へと変換される。したがって、蒸気タービンの回転速度の設定値は、ガスタービンの回転速度および差分角度に依拠する。この場合、係数「K」は、この回転速度差の設定値をさらに増加させる付加的な可能性をもたらす。ここで、係数「K」は、制御偏差すなわち設定値からの実際の値の偏差の帰還率である。したがって、これは比例コントローラである。係数「K」は、結果として生ずる全体の制御ループの特性を考慮して、単独で解析されかつ設定されるべきである。標準的な規定はK=1である。蒸気タービンの回転速度の設定値は、ガスタービンの回転速度を加算することによって出現する。

「調整可能なオフセット」を使用すると、ゼロの目標角度に対する全体の計算上の規定を設計することが可能になる。ゼロを外れる所望の目標角度は、標準的なグラフがΔφとΔη_setpointの間の関係に関して使用可能であるのと同じやり方で、このオフセットを手段として変位される。この手法を使用すると、考察を、0°の所望の目標角度に限定することが可能になる。

回転速度差Δηは差分角度Δφに加えてユニット14において処理される。その上、回転速度η_DTがユニット14において処理される。意図された回転速度η_{intended, DTφ}がユニット14において生成され、意図された値のガイド15へ転送される。意図された値のガイドにおいて信号η_{SV, DTφ}が生成され、さらなる意図された値のガイド16へ送られる。意図された値のガイド16の出力において回転速度変化の値Δη_DTが生成され、タービンレギュレータ13へ転送される。その上、スイッチング基準17からの信号がタービンレギュレータ13に接続される。次いで、スイッチング基準からの信号は、意図された値のガイド15と意図された値のガイド16の間の切換えのために使用される。

k Hz/sの一定の加速度を有するガスタービンに対して蒸気タービンを加速する場合には、Δω₀の初期の回転速度差を克服するのに時間t=Δω₀/kが必要とされる。この間に、システムは、(Δω₀)²/(2*k)回転に相当する相対的角度差を通過する。したがって、開始回転速度差Δω₀における差分角度が無作為に360°*(Δω₀)²/(2*k)であるとすると、目標角度0°を目標とするのに一定の加速度kが適切になる。すべての他の開始角度差の場合には、0°の目標角度に到着するように加速度を変更する必要がある。ここで、開始角度が「-360°*(Δω₀)²/(2*k)+測定された角度」に設定されたとすると、これは、タービンを、初期の回転速度まで、加速度kに対して少し増加した加速度で加速しなければならないことを意味する。目標結合角度を制御する手法中に、加速度を少し増加する方が、加速度を少し減少するよりも有利であることが判明している。開始回転速度差における差分角度を上記のように設定する、選択された手法は、加速度を少し増加することを常に可能にする。数値例を使用すると、蒸気タービンを90°遅らせるように意図するよりも、むしろ270°進ませると想定する方がより優れている。

本発明が、好ましい例示的実施形態に基づいて、詳細に説明され、より精密に図示されてきたが、本発明は開示された例によって制限されることはなく、当業者によって、他の変形形態が、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、開示された例から導出され得る。

1 シャフトの運転
2 回転機器
3 蒸気タービンのシャフト
4 継手
5 発電機のシャフト
6 発電機
7 継手
8 シャフト機器
9 ガスタービンのシャフト
10 キーフェーザ
11 キーフェーザ
12 ユニット
13 タービンレギュレータ
14 ユニット
15 意図された値のガイド
16 意図された値のガイド
17 スイッチング基準

Claims (9)

1. 回転機器と、シャフト機器とを結合するための方法であって、
   − 前記回転機器を前記シャフト機器の回転速度未満の初期の回転速度まで加速するステップであって、前記シャフト機器と前記回転機器とが、前記初期の回転速度に達した場合に、差分角度（Δφ）だけ互いに対してねじれ、かつ、前記結合の後にΔφ=Δφ_optの理想的な差分角度（Δφ）が得られる、ステップと、
   − 前記シャフト機器と前記回転機器との間の前記差分角度（Δφ）を検知するステップであって、前記回転機器の回転速度（η_DT）と前記シャフト機器の回転速度（η_GT）の差から形成される回転速度差（Δη）が確立される、ステップと、
   − 意図された回転速度差（Δη_intended）の分だけ、回転速度の意図された値まで加速することによって、前記回転機器の前記回転速度（η_DT）を変化させるステップであって、前記意図された回転速度差（Δη_intended）が前記差分角度（Δφ）に依拠し、前記回転速度の意図された値が、前記意図された回転速度差（Δη_intended）と前記差分角度（Δφ）との間の依存関係から確立され、前記回転速度の意図された値（Δη_DT）を確立するとき、前記確立された回転速度差（Δη）がさらに用いられる、ステップとを含む方法。
2. 前記回転機器は蒸気タービンであり、かつ前記シャフト機器はガスタービンである請求項１に記載の方法。
3. 前記回転速度の意図された値を用いて前記回転機器の前記回転速度（η_DT）を変化させる前記ステップが、前記回転機器の意図された回転速度（η_{intended, DT}）を入力変数とすることによってさらに利用可能になる請求項１に記載の方法。
4. 前記回転速度の意図された値（Δη_DT）およびスイッチング基準を入力変数として有するタービンレギュレータが設けられる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記初期の回転速度が、前記シャフト機器の前記回転速度よりも約１Ｈｚ低いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記初期の回転速度が、前記シャフト機器の前記回転速度よりも約０．５Ｈｚ〜約１．５Ｈｚ低いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記初期の回転速度が、前記シャフト機器の前記回転速度よりも約０．９Ｈｚ〜約１．１Ｈｚ低いことを特徴とする請求項１から４いずれか一項に記載の方法。
8. 前記回転機器を前記シャフト機器の回転速度未満の初期の回転速度まで加速する際の加速度値が約０．０２５Ｈｚ／ｓ〜約０．０７５Ｈｚ／ｓであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記回転機器を前記シャフト機器の回転速度未満の初期の回転速度まで加速する際の加速度値が約０．０５Ｈｚ／ｓであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

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